設計上の制限を打ち破り、バッテリー電極の3Dプリント

電気自動車は将来の輸送の発展傾向であり、その製造の中核はバッテリーです。 しかしながら、電池を製造するための現在のプロセス方法は、電池性能の改善を制限している。 フォトセントリック氏によると、3Dプリントに光重合技術を使用してバッテリーを製造することで、バッテリーの電極構造を正確に制御できるため、電気自動車やその他の業界向けの新しいバッテリー形状や軽量バッテリーパックへの扉が開かれます。

■従来の電池電極は加工技術で製造されています。3D印刷電極の加工により、電池や電池パックの形状設計の可能性が広がり、エネルギー密度や性能を向上させることができます。



電池電極は、通常、活物質を攪拌してスラリーにし、シートに流し込み、圧延・スリットで袋状またはボタン状の電池セルを形成し、これらの電池セルを長方形または円筒形のシェルに配置することで作製されます。この方法を使用してより多くの電力を蓄えるバッテリーを作るには、より厚い電極とこれらの電極を積み重ねる必要がありますが、これはひび割れを引き起こす可能性があります。したがって、より良いパフォーマンスを追求すると、バッテリーパックが重くなり、大きくなる可能性がありますが、特定の製品に最高の効率とエネルギー範囲を提供することはできません。



「このような製造プロセスでは、バッテリーの設計に柔軟性が失われます」と、ソリューションに取り組んでいるフォトセントリックの化学ディレクターであるサラ・カーメル氏は述べています。ピーターバラを拠点とするステレオリソグラフィー3Dプリンターのサプライヤーは、現在3D印刷電極の技術を模索しており、電気自動車やドローンなどの他のバッテリー駆動製品への適用に取り組んでいます。付加的に製造された電極は、任意の形状と構成に作ることができ、より速い充電速度とより軽い重量の電気自動車を作るための新しい扉を開き、それによってより良い航続距離を達成します-これは長期的な制限を克服するのに役立ちます電気自動車の開発の欠点。



3Dプリントはバッテリー電極構造を最適化できます

アディティブマニュファクチャリングは、従来の産業やアプリケーションに幾何学的設計の自由をもたらしました。ジェット燃料ノズルのコンポーネントが20個ではなく1個になったことを想像してみてください。または、電気自動車の構造コンポーネントで、重量が従来の形状と以前の半分であると想像してください。溶接プロセスのステップ。 3D印刷バッテリーは、幾何学的形状の自由度をもたらすことができるため、設計時に従来のバッテリーパックの形状にのみ車を適合させるのではなく、バッテリーとバッテリーパックの設計を車の設計により適合させることができます。電気自動車に最適です。デザインは新しい可能性をもたらします。



カーメルは、電気自動車のバッテリーの柔軟性は、バッテリーやバッテリーパックの全体的な形状に限定されないと考えています。また、バッテリーセルを構成するアノードとカソードという電極自体の設計にも新しい機会があります。 。 Photocentricは、シミュレーション技術会社との協力を通じて、これまで不可能だった3D印刷技術を使用して最適化された電極構造の設計を学んでいます。




■従来の電池電極構造（左）は、アノードとカソードの可能な構成を制限します。3D印刷構造（右）は、電極のクロススタッキングによるエネルギー密度の増加など、革新的に設計できます。



「電極は異なる方法で一緒に働くことができます」とカーメルは言いました。これらの新しいアーキテクチャのバッテリーは、より小さな面積とより柔軟な形状を占め、バッテリーのエネルギー密度を高めることができます。例えば、アノードとカソードを挿入して積み重ねることで、積み重ねられたバッテリーよりも高いエネルギー密度と高い効率を備えたバッテリーを得ることができます。



3D印刷プロセスでは、電極の微細構造を変更してパフォーマンスを向上させることができます。ミクロ多孔性により、イオン解離の経路が導入され、イオンの流れと体積エネルギー密度が増加します。したがって、小型軽量のバッテリーでも同じ電力を得ることができます。バッテリーは、車やその他のアプリケーションに正確に適応するために、より多くの構成を持つことができます。






光重合技術を使用して電池を作る

これらの3Dプリント電池のプロセスは、他の製品の製造に使用される光重合プロセスと似ています。電極は、独自の光重合樹脂を使用して3Dプリントされます。この樹脂は、市販の電極粉末や導電性添加剤のバインダーとしてよく使用されます。部品は次のとおりです。部分的に洗浄および硬化し、脱脂および焼結してポリマーを除去し、活性電極材料のみを残します。 Photocentricは、3D印刷バッテリー用の独立したシステムを開発しました。部品は、印刷からクリーニング、後処理まで自動的に実行できるため、精密電極の汚染や損傷のリスクを回避できます。



3Dプリンティングバッテリープロジェクトが電気自動車に与える影響は、Photocentricが自社の事業で持続可能性を追求していることと一致しています。フォトセントリック3Dプリンターは、紫外線ではなく可視光を使用してフォトポリマー部品を硬化します。この要因は、マシンの稼働時のエネルギー消費が少ないことを意味します。再生可能資源とリサイクルからの新しい持続可能な材料の研究も進行中です。







これまで、同社はコバルト酸リチウム（LCO）やチタン酸リチウム（LTO）などの電極材料を研究しています。カーメル氏によると、3D印刷プラットフォームは材料とは何の関係もなく、他の既存のバッテリー化学をサポートすることもできます。 Photocentricの現在の目標は、最高の化学材料と最も有用な幾何学的デザインを提供できる業界パートナーを見つけ、自動車での3D印刷バッテリー技術を実証することです。



「実験室で動作中のバッテリーを印刷することはできますが、問題は、実際の機器でどれだけうまく動作するかということです」とカーメル氏は述べています。 3D印刷バッテリー電極は、実際の機器で正常に動作する場合、軽量の電気自動車の基礎を築き、バッテリーパックのサイズを変更せずに航続距離を延ばしたり、車の形状や構成を容易にしたりできます。バッテリーパックは小さいですが、今日の大型の重いバッテリーパックと同じ航続距離を提供できます。バッテリーの性能が向上すると、電気自動車の利用率が高まり、次のプロセスへの持続可能な輸送が促進されます。